模糊评判法和综合指数法在岩溶地下水质量评价中的应用<br/>——以清镇市工业西区为例

模糊评判法和综合指数法在岩溶地下水质量评价中的应用
——以清镇市工业西区为例

2017-08-09羊永夫褚学伟

黑龙江水利科技 2017年5期

关键词：岩溶水质污染

羊永夫,褚学伟

(1.贵州有色地质工程勘察公司,贵阳 550000；2.贵州大学资源与环境工程学院,贵阳 550000)

模糊评判法和综合指数法在岩溶地下水质量评价中的应用
——以清镇市工业西区为例

羊永夫1,褚学伟2

(1.贵州有色地质工程勘察公司,贵阳 550000；2.贵州大学资源与环境工程学院,贵阳 550000)

岩溶地下水；地下水质量评价；模糊评判法；综合指数法；清镇市工业西区

and found that the main reason for the difference is the comprehensive index evaluation method using the category of the worst water quality indicators as a comprehensive water quality category, and comprehensive index evaluation method enhances the pollution index of pollutant and the pollution index of the most serious pollutant, the evaluation of the weight of the most serious pollutants has also been increased,so the results showed excessive protection.Fuzzy evaluation method based on fuzzy mathematics, it can quantify some factors of border blurred and quantify not easy quantitative factors, and also take into account the various factors on the comprehensive impact of water quality, fairly and objectively reflecting the impact of each pollution factor on the evaluation results. Key words：Karst groundwater; quality evaluation of groundwater; fuzzy evaluation method; comprehensive index evaluation method; industrial area of Qingzhen city

0 前言

中国是世界上岩溶发育最复杂、类型最齐全、面积分布最广的国家，岩溶区总面积约为344×l04km2，岩溶水资源总量为2039×108m3/a，占全国地下水资源总量的23.4%。贵州位于中国岩溶复杂的西南地区，可溶岩分布面积超过全省国土面积的2/3。岩溶以裸露类型为主，地下水与地表水、降水之间的关系频繁转换，因地下水系统缺乏保护，故地下水污染方式以直接污染为主[1]。岩溶含水系统抗污染能力弱，岩溶水资源环境十分脆弱[2]。

20世纪50年代起，地下水环境质量评价逐渐引起人们重视，对比环境科学的环境质量评价方法，其评价思想和方法与环境质量评价方法密切相关。水质评价是对水环境质量变化规律的研究，直观地反映水体特征，并对水环境要素或区域水环境性质的优劣性进行科学的定量描述，并且能够科学的提高和改善人类水环境质量的方法和途径[3]。国内外学者在水环境质量评价方法上不断创新，不断完善了水体质量评价系统。根据反映地下水物理化学特性的多个指标进行地下水质评价，采用数学方法进行计算，最后得到较为适宜的地下水质等级评价结果[4]。由于近年来数学方法广泛应用于水质评价领域，直接导致水质质量评价成为环境质量评价学科中发展速度最快、进步较为显著的一个分支。

通过对清镇市工业西区水文地质分析，在研究区内对各泉、暗河出口和入口及机井水质监测，得到共9个水质监测结果，以《地下水质量标准》(GB/T14848-9)作为评价标准，运用综合指数法、模糊数学法等方法对区内水质评价，并分析各种评价方法的评价结果。

1 评价方法

1.1 综合指数法

综合指数法是以地下水水质调查分析资料或水质监测资料为基础，首先进行各单项组分评价，划分所属质量类别，对各类别按下列规定分布，确定单项组分评价分值Fi，进行单项染组分评价，依照表1确定单项组分评分值Fi。

表1 单项组分评分值Fi

再根据以下公式(1)及(2)计算综合评分值F：

(1)

(2)

依据F值按表2划分地下水质量级别。

表2 地下水质量综合评价标准

1.2 模糊评判法

1.2.1 建立隶属函数

1)设定两个评价集：在水质监测的若干监测指标中根据一定的原则，以及《地下水环境质量标准》(GB/T 14848-93)中对地下水功能区和保护目标，将地下水质划分成了5类，选取水体中主要污染因子构成评判因素集，建立评价因子集。

U={u1,u2,u3,…,un}

(3)

V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}

(4)

式中：U为综合评判所涉及的因素集合，即参加水质评价所选定的因素；V为最终评价所组成的集合。

2)构建模糊关系矩阵R：文章采用半梯形分布法来计算隶属函数。设评价中取n个污染因子，取第k个水样中某一污染因子i的实测值为Xki，其j级标准值为cij(i=1,2,……,n；j=1,2,……,m)则污染因子对各级水的隶属函数如下:

对I级水的隶属函数:即j=1

(5)

对j级至m-1级水的隶属函数:即j=2,3,……,n-1

(6)

对n级水的隶属函数:即j=m

0xki

(7)

当xki给定，可以用以上隶属函数求出K水样中第i个污染因子分别对各级水的隶属度，由此确定一个与水质类别的模糊关系矩阵R：

(8)

式中：m代表评价因子数，即i=1,2，…,m；n代表水质级别，即j=1,2,3,4,5。

1.2.2 权重向量的计算

当每个评价指标的超标比都计算完之后，将其进行归一化处理，便能计算出每个评价指标的权重。

(9)

由此即得到了权重集：W={w1,w2,…,wm}。

1.2.3 建立模糊综合评价模型

确定了模糊评价矩阵R和权重集W后，可以得到如下的模糊综合评价模型：

=(b1,b2,…,bn)

(10)

建立模糊评价模型后，根据最大隶属度原则，bj=max(b1,b2,…,bn)，即待评价水体的水质级别应该为第j类。

2 地下水质量评价

2.1 研究区概况

2.1.1 地质环境背景

区内水系较发达，属长江流域乌江水系，乌江一级支流猫跳河支流暗流河(又名跳蹬河)。为清镇市工业西区片区的地下水排泄基准面。暗流河为猫跳河一级支流，是清镇市第三大河，发源于平坝县杨家庄。

研究区主要为溶丘洼地及溶蚀沟谷、峡谷地貌，区域东侧为侵蚀沟谷斜坡地貌，低中山山峰呈圆形，海拔多数在1100-1473m之间，一般高差约为40-120m。溶丘间洼地、落水洞发育，呈串珠状分布，洼地呈椭。圆形、圆形，落水洞呈圆形，该地貌类型植被不发育，岩石裸露，土层较薄；流向南至北的猫跳河切割较深，形成峡谷、嶂谷地貌，主要分布于研究区的西部，为U字型峡谷。

清镇市工业西区位于华南板块的扬子陆块西南部，地层区划属黔中分区，区内出露地层主要为三叠系、二叠系、石炭系及寒武系，其中，以三叠系出露的地层最广。研究区地处华南板块的扬子陆块西南部黔北台隆遵义拱断贵阳复杂构造变形区中段，构造线的展布方向以南北向为主，其次为北东-南西向。区内发育断裂构造主要为南北、北东-南西方向。

2.1.2 岩溶区水文地质特征

1)岩溶发育特点:研究区内出露的碳酸盐岩为下三叠统安顺组(T1a)白云岩和大冶组二段(T1d2)灰岩、三叠系中统关岭组(T2g)白云岩。呈裸露型和半裸露型两种岩溶类型，半裸露型主要发育在大冶组(T1d)灰岩、关岭组(T2g)地层中，位于调查区东南部，面积约18.69km2。裸露型岩溶发育于安顺组(T1a)灰岩地层中，面积约106.42km2，海拔标高1100-1473m，呈南北走向岩溶槽谷，槽谷第四系厚0.5-10m，出露串珠状落水洞、天窗、溶沟、暗河标志明显，地下岩溶管道发育，为该区主要岩溶含水系统。在调查区内落水洞、井、岩溶洼地平均16-25个/km2，地下岩溶以暗河、岩溶管道、大溶缝和岩溶裂隙构成地下水的迳流排泄通道。研究区水文地质图见图1。

2)水文地质条件：研究区位于清镇市中部，为溶蚀峰丛谷地类型为主，谷地开阔，覆盖较厚残积黏土层。工业区所处水文地质单元北以白鹅井断层为界，南以地表分水岭，东以龙潭组(P3l)煤系地层，西以跳蹬河为界，面积77km2(图1)。地表水系有南北向径流的跳蹬河，为本区排泄基准面，标高为1108m。

区内出露地层为安顺组(T1a)、大冶组(T1d)，地表岩溶、落水洞、地下天窗发育。安顺组(T1a)为主要的含水地层，亦为区内包气带介质，土层较薄或者缺失，地下水主要接受大气降水直接补给。大气降水补给地下水的方式大体有灌入型和渗入型两种。补给方式主要取决于岩性及地表第四纪覆盖层厚度，在纯碳酸盐岩及地表覆盖层较薄的分布区，地下水的补给方式以灌入型为主，即大气降水形成的地表散流及常年性、季节性地表溪流，经各类岩溶(竖井、落水洞，岩溶漏斗及小型洼地下伏的隐伏落水洞)，灌入补给岩溶地下径流系统。其补给量大但不均匀，补给速度快但不连续。如处于新坝、涂家寨、周家寨及黑石头等地区，在有利的地形地貌和地层结构条件，以及众多的垂直型地表岩溶为大气降水、地表散流、常年和季节性溪流灌入补给地下水提供了补给通道。

在非纯碳酸盐岩及碎屑岩分布区，地下水的补给方式以渗入型为主。由大气降水直接通过风化裂隙、构造裂隙、层面裂隙、植被壤土以及补给区溪流沟床地表水的缓慢渗入补给，具补给缓慢、补给连续均匀等特点。除此以外，区内农业灌溉、生活污水、工业废水等排放，均为区内地下水的补给来源。

区内总体地形东高西低，地下水总体径流方向为由东向西径流排泄。受区内南北向构造带影响，地下水在由东向西径流主方向的基础上，受区内构造裂隙、跳蹬河地表支流及区内地下水补排关系的影响，存在向北西方向偏流的特点。

1.寒武系下统牛蹄汤组；2.寒武系下统清虚洞组；3.寒武系下统金顶山组；4.寒武系中统高台-石冷水组；5.石炭系下统摆佐组；6.二叠系中统栖霞组；7.二叠系中统茅口组；8.二叠系上统龙潭组；9.二叠系上统长兴组；10.三叠系下统大冶组；11.三叠系下统夜郎组；12.三叠系下统永宁镇组；13.三叠系下统安顺组；14.三叠系中统关岭组；15.地质界线；16.断层；17.向斜；18.泉编号及流量；19.地下水流向；20.机井及编号；21.暗河出口及编号；22.暗河入口及编号；23.地表分水岭；24.工业区规划征地范围

2.2 地下水采样监测

文章利用2013年丰水期采样点中的9个进行地下水质量评价(图1、表3)。

2.3 评价标准及参评因子

2.3.1 评价标准

依据中国地下水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了国家《地下水质量标准》(GB/14848一93)，将地下水质量划分为五类：

1)Ⅰ类水质优良，主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。

2)Ⅱ类水质良好，主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。

3)Ⅲ类水质较好，以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。

4)Ⅳ类水质较差，以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。

5)Ⅴ类水质极差，不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。

表3 研究区地下水采样点一览表

表4 水样测试指标一览表

2.3.2 评价因子

清镇市工业西区规划建设初期，工业污染物排放量相对小，根据地下水环境质量现状的主要成分及对人体的危害选用SO42-、Cl-、总硬度、NO3-、N02-、NH4、溶解性总固体、F-、MnO4-等九项化学组分作为评价因子，对工业区水环境质量现状评价。

2.4 评价结果

各评价因子质量类别评价见表5，从表5中可以看出，有5个点3个水质指标超出了Ⅲ类水指标，分别为MnO4-、NH4、N02-，最严重的为C24点，有3个水质指标超出Ⅲ类水标准。根据研究区实际监测资料及上述隶属函数公式(5)、(6)、(7)，计算各单项因子对于水质级别(评价标准)的隶属度，获得模糊评判法的最终的综合评判集B(式10)。

(10)

通过对各评价因子质量类别取值并经过(1)式、(2)式的计算，即可得到综合指数法地下水质量评价结果。模糊综合法地下水质量评价结果则按最大隶属度原则由模糊数学综合评判集矩阵(10)式得到。表6是两种方法地下水质量评价结果。

表5 各因子质量类别评价表

表6 两种方法地下水质量评价结果表

从表6可以看出以上两种方法的评价结果基本趋于一致，9个采样点中7个点的评价结果是一致的，2个点结果有出入，但也是仅相差一个级别。引起结果差异的原因如下：

1)综合指数法是按计算指数的大小，将各种污染物的污染指数和最严重污染物的污染指数情况纳入参考范围，同时将最严重污染物的权重加大，其以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，评价结果表现为过度保护。表6中，通过综合指数法对71号、45号水样点评价得出的结果略高于模糊评价法所得的结果。其原因是综合指数法没有考虑权重因素，只是把各项污染因子同等对待，即认为各污染物对水质的影响程度一致；同时又过于突出单项污染因子，因此当某种污染物的Fi较高时，综合评分值就会正向升高。

2)模糊综合评价法属于函数法，模糊数学是其基础工具，模糊关系合成是其应用原理，具体评价方法是将体系中边界模糊不清，不易定量的因素定量化，充分考虑各个评价因子对水质的综合影响，因此可以能客观公正的反映出各个污染因子对评价结果的影响。

3 结论

2)综合指数评价法和模糊数学评价法的评价结果整体上趋于一致，9个采样点中7个采样点的评价结果相差不大，仅2个采样点结果有出入，但也只是相差一个级别。综合指数法以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，评价结果表现为过度保护，强化污染物的污染指数和最严重污染物的污染指数情况，同时将最严重污染物的权重加大；模糊综合评价法属于函数法，模糊数学是其基础工具，模糊关系合成是其应用原理，具体评价方法是将体系中边界模糊不清，不易定量的因素定量化，充分考虑各个评价因子对水质的综合影响，因此可以能客观公正的反映出各个污染因子对评价结果的影响。

[1]鄢贵权,丁坚平,王伍军,等.贵州典型岩溶地下水污染评价[J].中国地质灾害学报,1999，10(01)：81-87.

[2]丁坚平,王中美,毛健全,等.岩溶地下水渗漏污染研究[J].贵州工业大学学报：自然科学版,2003，32(04)：98-102.

[3]王华东,张义生.环境质量评价[M].天津:天津科学技术出版社,1986：24-36.

[4]白玉娟,殷国栋.地下水水质评价方法与地下水研究进展[J].水资源与水工程学报,2010,21(03)：115-119，123.

Application of Fuzzy Evaluation Method and Comprehensive Index Evaluation Method in Groundwater Quality Assessment of Karst Region —A case study of Qingzhen industrial area

YANG Yong-fu1and CHU Xue-wei2

(1.Guizhou Nonferrous Geological Engineering Survey Company, Guiyang 550000, China; 2.College of Resources and Environmental Engineering of Guizhou University, Guiyang 550000, China)